定向钻技术穿越河流防洪评价分析

王艳艳，高永亮，崔相维，罗烈虎

（天津普泽工程咨询有限责任公司，天津 300204）

在长距离输气、输油管线建设中，管道不可避免地要穿越河流。水平定向钻穿越技术由于工期短、工程费用相对较低、对周围的环境影响小、不破坏堤防结构，同时能够保证管道埋深等特点，近年来在管道穿越河流工程设计施工中得到了飞速发展，但是定向钻穿越施工也有一定的风险性。本文根据定向钻技术施工，对定向铅穿越工程和防洪评价进行分析。

1 定向钻穿越技术

输气、输油管道施工过程主要有3个步骤

1.1 导向孔施工

根据设计提出的入、出土点坐标和管线设计轨迹，用定向钻钻导向孔（特殊地层还需逐节加入套管）；

1.2 预扩孔施工

钻杆在对岸出土后，回拖时进行连接扩孔器，扩孔器大小及级数根据穿越管段直径和地层确定；

1.3 管道回拖施工

管道在出土岸进行分段或整体组装，检验、试压和防腐，合格后接上拖管头利用钻机拉动扩孔器和穿越管段回拖，直至穿越管道完全敷设于扩大的导向孔内直到拖管头在钻杆入土处露出。

2 评价方法

虽然定向钻穿越工程管道埋深较大，但施工中难免会对堤防工程基础土层产生扰动，影响原土体的密实度，甚至可能会沿管道周边形成1条渗流通道，影响堤防稳定。因此，分析工程对堤防渗透稳定的影响对定向钻穿越工程防洪评价具有重要意义。

2.1 堤防渗流稳定

2.1.1 基本方程

渗流稳定分析计算一般采用有限元法，由于穿越管道的管径较小，可用立面二向渗流考虑（x-z垂直剖面），渗流基本微分方程为：

当水和土体不可压缩时，上式变为：

式中 h为水头函数；x、z为空间坐标；t为时间坐标；Kx、Kz为以x、z轴为主轴方向的渗透系数；Sτ为单位贮存量。

定解条件：

初始条件 h（x，z，0）=h0（x，z）

水位边界 h襔Γ1=h1（x，z，t），t≥0

2.1.2 模型概化

河道内边界采用规划行洪流量时的设计水位。定向钻施工后，按管壁周围土体受扰动使渗透系数加大考虑，将沿管壁周围1m范围内的土层概化为扰动区，扰动区渗透系数取值按原土层渗透系数扩大1～2个数量级进行分析。

2.1.3 计算内容

堤防渗流稳定分析内容主要包括：管道施工前后堤防内渗流场稳定分析及堤外渗透坡降分析。通过渗流场稳定分析判断管道施工是否对堤防内成梯度下降的水头渗流场形成显著影响；渗透坡降分析主要用于判断土体的渗透坡降是否大于允许渗透坡降，若大于允许渗透坡降，土体将产生渗透变形，形成管涌、流土等渗透破坏现象，进而导致堤防失稳。

允许渗透坡降可依据《堤防设计规范》，按土的临界渗透坡降除以安全系数2确定。土的临界渗透坡降按照《土力学》中的基本公式求解：

式中Gs为土粒比重；e为土的孔隙比。

2.2 河道冲刷计算

河道冲刷计算是防洪评价的要点之一，包括一般冲刷和局部冲刷，由于定向钻穿越管道工程没有占压河道断面，因此，定向钻穿越工程防洪评价可只计算一般冲刷。

河道一般冲刷深度的计算方法比较多，桥梁防洪评价中普遍采用的是《公路工程水文勘测设计规范》中推荐的64－1修正公式。64－1公式是利用我国各地桥梁实测资料建立的，实测资料中，既有较稳定的河段，也有不稳定的河段，因此该公式的计算结果，既包括桥梁压缩河流引起的冲刷，也包括河槽在天然演变中深泓线摆动形成的集中冲刷和随水位、流量周期变化产生的天然冲刷。因此，对于不占用河道行洪断面的管道穿越工程也可采用64-1修正公式，可将公式中的水流侧向压缩系数μ设置为1。

对于局部沟壕或刚性构筑物附近有可能产生的局部冲刷及对64-1修订公式计算成果进行复核，可采用 《水力计算手册》（第二版）中提供的公式计算。

式中hB为局部冲刷深度（m）；hp为冲刷处水深（m）；vcp为平均流速（m/s）；υ允为河床面上允许不冲流速（m/s）；n一般取0.25。

由于定向钻穿越工程管道埋深较大，河道冲刷及河底清淤均不会影响到管道的安全运行，同时管道工程实施也不会影响到河道行洪及河势稳定。

3 实例应用

3.1 工程概况

独流减河位于天津市区南侧，是大清河系主要入海尾闾河道，是保卫天津城市防洪安全的南部防线。工程按200a一遇设防，河道规划行洪流量3600m3/s。

管道工程穿越位置位于东千米桥下游600m处，管道采用准711直缝埋弧焊钢管，3层PE加强级防腐。入土点距左大堤外堤肩395m，入土角10°，入土段采用弹性敷设，曲率半径1500D；出土点位于河心滩地，距左大堤内堤肩约540m，出土角8°，出土段弹性敷设曲率半径1500D，管道穿越距离944m，河底以下管道埋深15.6m。

3.2 计算工况及模型概化

堤内行洪水位4.43m，堤外无水；土体渗透系数根据地质勘探资料进行分层概化，工程施工后，管道周围1m范围概化为施工扰动区，扰动区内渗透系数按原土体扩大1～2个数量级考虑。

3.3 计算成果

3.3.1 渗流场分析

采用河海大学工程力学研究所研制的 《水工结构有限元分析系统》程序进行计算，管道施工前、施工后左大堤渗流场水头等值线见图1～图3。

从图1可知，管道施工前原始状态下，穿越断面左大堤形成稳定渗流场，河床内水头相同，均为设计洪水水头，在堤防内形成梯度下降的水头渗流场，渗流场分布均匀，无明显突变。

由图2～图3可知，管道施工后，由于定向钻施工过程中对管道周边土体形成扰动，扰动区土体渗透系数加大，对原渗流场有一定的扰动作用，渗流场重新分布。扰动区土体渗透系数扩大1个数量级后的渗流场与原渗流场分布基本一致，变化甚微；扰动区土体渗透系数扩大2个数量级后的渗流场水头等值线明显变化，主要集中在管线扰动区，但渗流场整体分布与原渗流场基本保持一致。

3.3.2 渗透坡降分析

根据有限元分析计算，堤坡脚及堤外平面渗透坡降计算成果见表1。

计算结果可知，渗透坡降最大值发生堤外坡脚低洼处。管道穿越独流减河左大堤施工后对原有渗流场有一定扰动作用，渗透坡降较原始状态下渗透坡降增大。但整体来说，管道施工后堤外坡脚的渗透坡降较原始状态增幅有限，小于该堤段允许渗透坡降。因此，管道穿越不会引起土体渗透变形及堤防的渗透破坏。

表1 穿越断面左大堤渗透坡降计算成果

4 结语

根据定向钻技术施工特点及河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则的要求，对定向钻穿越工程防洪评价要点进行分析，同时结合某天然气管道穿越独流减河建设工程，采用有限单元法对堤防进行渗流稳定分析。分析结果表明，管道采用定向钻技术施工对堤防的渗流场有一定的影响，且变化主要集中在管线扰动区，但渗流场整体分布基本保持不变，且管道施工后堤外坡脚的渗透坡降较原始状态增幅有限，小于该堤段允许渗透坡降，管道穿越不会引起土体渗透变形及堤防的渗透破坏。

［1］毛昶熙.渗流数值计算与程序应用［M］.南京:河海大学出版社，1999.

［2］李炜.水力计算手册［K］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］办建管［2004］109号.河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则（试行）［S］.